劉斯坦，蘇小培，張 博

（河南省交通運(yùn)輸發(fā)展集團(tuán)有限公司洛陽分公司,河南洛陽471000）

環(huán)氧樹脂憑借其良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)性能和加工性能,已在道路、橋梁等工程領(lǐng)域得到了廣泛研究與應(yīng)用[1]。但傳統(tǒng)有機(jī)溶劑型環(huán)氧樹脂存在污染環(huán)境和危害人體健康的技術(shù)缺陷,因此,近年來工程領(lǐng)域?qū)Νh(huán)氧樹脂提出了更高的要求,其正朝著高效、節(jié)能、生態(tài)環(huán)保、低揮發(fā)性有機(jī)化合物的水性化方向發(fā)展[2]。水性環(huán)氧樹脂是通過適當(dāng)方法,使環(huán)氧樹脂以微?；蛞旱蔚男问椒稚⒃谝运疄檫B續(xù)相的分散介質(zhì)中而配得的穩(wěn)定分散體系[3]。它不僅擁有傳統(tǒng)有機(jī)溶劑型環(huán)氧樹脂的眾多優(yōu)異性能和特點(diǎn),還具有較低VOC、施工性好、耐水性好、成本低廉和安全性好等顯著特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于微表處、橋面防水黏結(jié)層等工程措施[4]。

1 水性環(huán)氧樹脂特性

水性環(huán)氧樹脂是用水作為連續(xù)相,以某種方法將環(huán)氧樹脂分散在水中,以液滴或者微粒形式與水兩者混合形成穩(wěn)定分散的乳液。具有價(jià)格低廉、易于儲(chǔ)存,且環(huán)保性好、易清洗等特點(diǎn)[5]。水性環(huán)氧樹脂既保留了原有的環(huán)氧樹脂的特點(diǎn),又不含空氣污染物和揮發(fā)性有機(jī)化合物從而受到人們廣泛關(guān)注。

1.1 水性環(huán)氧樹脂制備方法及優(yōu)缺點(diǎn)

①化學(xué)改性法。又稱自乳化法,是將親水性化學(xué)官能團(tuán)引入環(huán)氧樹脂分子骨架上,從而具備自乳化能力。常見的親水官能團(tuán)有羧基、磷酸基、氨基[6]。化學(xué)改性法的優(yōu)勢在于不用外加乳化劑的情況下,使改性環(huán)氧樹脂分散在水中,得到粒徑較小水性環(huán)氧乳液,其成膜性、物化性和穩(wěn)定性均較好,不易發(fā)生破乳現(xiàn)象。也是廣泛認(rèn)可的最有效的環(huán)氧樹脂水性化制備方法。但其合成步驟多、工藝較為復(fù)雜、成本較高,致其推廣難度較大。

②機(jī)械法。是一種用少量的乳化劑制取水性環(huán)氧樹脂的方法。優(yōu)點(diǎn)是制備成功的水性環(huán)氧乳液價(jià)格低廉,制備操作工藝簡單。但是由于工藝限制,制備的水性環(huán)氧乳液環(huán)氧顆粒的分散粒徑較大、粒子形狀不規(guī)則,乳液穩(wěn)定性較差,成膜性能差。

③相反轉(zhuǎn)法。相反轉(zhuǎn)法是將聚合物從油包水轉(zhuǎn)變成水包油狀態(tài)的方法,制備的乳液不但性能穩(wěn)定性且成膜性好,乳液分散相粒徑也較小。該方法制取的乳液與采用的表面活性劑存在直接的關(guān)系,若選取分子質(zhì)量低的表面活性劑,則由于其與環(huán)氧樹脂的相容性較差,制得的乳液穩(wěn)定性差,有較多的表面活性劑存在,成膜后涂膜的硬度、耐溶劑性等會(huì)受到一定影響。

1.2 水性環(huán)氧樹脂材料特性

水性環(huán)氧樹脂具有低污染性、健康環(huán)保的優(yōu)勢特點(diǎn),受到廣大科研工作者和企業(yè)廣泛關(guān)注,被廣泛應(yīng)用于復(fù)合型材料的生產(chǎn)領(lǐng)域。根據(jù)目前針對水性環(huán)氧樹脂的研究,可以將水性環(huán)氧樹脂材料總結(jié)為三大特性：良好的熱穩(wěn)定性、良好的形狀自我修復(fù)能力和良好的耐腐蝕、抗腐蝕性能。

2 水性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在高速公路養(yǎng) 護(hù)中的應(yīng)用

2.1 水性環(huán)氧乳化瀝青

乳化瀝青作為一種常見的路面修補(bǔ)材料,具有節(jié)能減排、降低污染等優(yōu)點(diǎn),在瀝青路面施工和養(yǎng)護(hù)工程中得到了廣泛應(yīng)用。但普通乳化瀝青具有黏結(jié)能力低、彈性及高溫性能差、強(qiáng)度低等缺點(diǎn),不足以保證修補(bǔ)后的瀝青路面具有一定的耐久性。水性環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中含有較多的羥基、苯環(huán)、醚鍵、碳-碳鍵等多個(gè)基團(tuán),具有多種優(yōu)良的品質(zhì),并且與乳化瀝青同屬于水性乳液,因此可以用作乳化瀝青的改性劑[7]。使用水性環(huán)氧樹脂對瀝青進(jìn)行改性后具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度極高且熱固性良好的性能,廣泛應(yīng)用于公路、橋面等建筑工程的養(yǎng)護(hù)中。

在公路的養(yǎng)護(hù)過程中,在行車載荷的作用下微表處會(huì)受到剪切應(yīng)力的作用,乳化瀝青作為微表處中的主要膠結(jié)料,對微表處的使用效果影響較大。若乳化瀝青的粘接能力不足,對公路微表處產(chǎn)生的裂縫并不能起到有效的作用,會(huì)出現(xiàn)微表處推移、裂紋和飛散坑槽等重大問題[8]。不僅如此,乳化瀝青的粘接能力還會(huì)影響著微表處與原路面的層間粘結(jié)性能[9]。水性環(huán)氧樹脂的加入會(huì)向整個(gè)反應(yīng)體系中引入羧基、羥基、氨基等親水官能團(tuán),與乳化瀝青相互作用,同時(shí)環(huán)氧樹脂在固化劑的作用下發(fā)生固化反應(yīng)。然后破乳后的瀝青分子規(guī)則均勻地分布在由環(huán)氧樹脂形成的規(guī)則空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中,破乳后的乳化瀝青和固結(jié)后的環(huán)氧樹脂分子間作用力由物理鍵以及化學(xué)鍵提供[10],由此形成了穩(wěn)定的新的整體。新形成的水性環(huán)氧改性乳化瀝青使得水性環(huán)氧乳化瀝青在路面常見的高溫剪切所用下也具有高強(qiáng)度和穩(wěn)定性。水性環(huán)氧改性乳化瀝青強(qiáng)度增強(qiáng)機(jī)理如圖1所示[11]。水性環(huán)氧乳化瀝青強(qiáng)大的路用性能使其在微表處的應(yīng)用中,不僅可以快速解決路面早期病害,防止原路面發(fā)生進(jìn)一步破壞,延長其服務(wù)年限,還可以減少道路養(yǎng)護(hù)所需費(fèi)用,創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益[12]。

圖1 水性環(huán)氧改性乳化瀝青強(qiáng)度形成機(jī)理Fig.1 Strength formation mechanism of water-based epoxy modified emulsified asphalt

2.2 水泥水環(huán)氧灌縫用漿

水泥-水性環(huán)氧灌縫用漿是將水泥和水性環(huán)氧樹脂為原材料經(jīng)過一定比例混合調(diào)配而成的具有一定粘稠度的漿液,常用于對公路和橋面等水泥基建筑縫隙的填充和修復(fù),以及對建筑工程表面的表層加固處理[13]。對于公路和橋梁等建筑而言,使用水泥水環(huán)氧灌縫用漿對表層進(jìn)行加固處理時(shí),可以減少傳統(tǒng)的表層加固處理工藝的干燥步驟,減少施工時(shí)間。這種特點(diǎn)在以混凝土等水泥基材料為主體的建筑工程中尤為明顯。水泥水環(huán)氧灌縫用漿作為繼承水性環(huán)氧材料親水性的特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)在極短的時(shí)間里成型并具有較高的強(qiáng)度,且通過對水泥的選擇,例如選用超細(xì)水泥材料時(shí),可以實(shí)現(xiàn)對水泥水環(huán)氧灌縫用漿力學(xué)性能的調(diào)整,有研究表明,控制粒徑30μm的成分含量小于 5%且粒徑在 6μm 以內(nèi)的顆粒含量大于 40%時(shí),當(dāng)其在縫寬小于1mm 的細(xì)小裂縫中使用,水泥水環(huán)氧灌縫用漿的抗壓強(qiáng)度在3天時(shí)就可達(dá)到25MPa,在28天后可達(dá)41MPa,且膨脹率不超過0.05%,是對高速公路縫隙進(jìn)行填補(bǔ)的理想材料,可能從本質(zhì)上控制細(xì)微裂縫的蔓延與發(fā)展[14]。

2.3 水性環(huán)氧水泥混凝土

在對水泥混凝土材料的配置過程中,通過減少實(shí)際用水的含量,將水性環(huán)氧樹脂代替缺失的水含量,可以得到早期強(qiáng)度極高的水性環(huán)氧水泥混凝土材料。通常而言,水性環(huán)氧樹脂的添加量在水泥材料的30%左右。水性環(huán)氧水泥混凝土材料常用于坑槽和伸縮縫的加固處理中,由于水性環(huán)氧水泥混凝土材料的早強(qiáng)極高,所以在對高速公路的坑槽進(jìn)行加固處理時(shí)可以極快恢復(fù)正常使用。同時(shí),水性環(huán)氧水泥混凝土材料的施工過程的具體工藝流程和普通混凝土材料的加固處理方式幾乎沒有區(qū)別,且通過水性環(huán)氧水泥混凝土材料中混凝土材料和水性環(huán)氧樹脂材料的配比還可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的調(diào)控[15]。

2.4 水性環(huán)氧水泥穩(wěn)定基層

對于建筑工程中的整體性基層而言,水性環(huán)氧樹脂乳液的改性處理可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的加固,增強(qiáng)其化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能的同時(shí)達(dá)到相對較好的耐水性,保證在長期濕潤的工作環(huán)境下穩(wěn)定服役,避免基層的損傷和破壞。這兩種特性使得水性環(huán)氧水泥穩(wěn)定基層在雨水較多的區(qū)域得到廣泛應(yīng)用,如長三角和珠三角地區(qū)。研究人員對水性環(huán)氧水泥穩(wěn)定基層中水性環(huán)氧樹脂乳液的實(shí)際摻入量和基層性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,隨著水性環(huán)氧樹脂乳液實(shí)際摻加量的增大,在一周養(yǎng)護(hù)過后,基層材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有著明顯的提高,且密度也有少量的增加,同時(shí),在對材料進(jìn)行溫度浸泡后,發(fā)現(xiàn)基層的強(qiáng)度沒有明顯變化,并未受到多水環(huán)境的影響,證明了水性環(huán)氧水泥穩(wěn)定基層良好的耐水性。水性環(huán)氧樹脂乳液的摻加,無論是在提高強(qiáng)度還是增強(qiáng)耐水性上,都起到了重要作用[16]。

3 結(jié)語

水性環(huán)氧樹脂具有機(jī)械強(qiáng)度高、施工安全便捷的特性,在公路養(yǎng)護(hù)材料中有著獨(dú)特的優(yōu)勢,特別是改性后的水性環(huán)氧樹脂性能更優(yōu),水性環(huán)氧樹脂對乳化瀝青和混凝土等水泥基材料的性能指標(biāo)有著顯著的提高,使得道路的抗裂縫發(fā)展性能和抗重載車轍性能顯著提高。水性環(huán)氧樹脂是在公路養(yǎng)護(hù)工程中充當(dāng)重要角色的新材料,經(jīng)過其改性后的新型復(fù)合材料具備的優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗開裂性、耐磨及防水防腐性,使其在公路養(yǎng)護(hù)工作中得到廣泛的推廣和應(yīng)用。